基于非接触式IC卡的门禁控制系统设计
题目：基于非接触式IC卡的门禁控制系统设计
学院：信息电子技术学院
年级：09级
专业：自动化
姓名：
学号：
指导教师：
摘要
随着现代科技的发展，门禁控制系统在安全技术防范领域扮演着越来越重要的角色，它是建立在先进的计算机技术、通信技术和非接触的射频识别技术之上，通过持有非接触式IC卡来对人的进出实施放行、拒绝和记录等操作的智能化控制系统。非接触式IC卡的核心技术为射频识别，其环境适应性强，可全天候、无接触地完成自动识别功能。
本文首先介绍了门禁控制系统在国内外的研究现状与发展状况，之后介绍了系统相关的基础理论知识。最后重点阐述了系统的硬件电路与软件设计。硬件方面主要包括单片机STC89C54的接口设计、ZLG500AT读写模块设计、串行通信模块设计、实时时钟模块设计、液晶显示模块设计及数据存储模块设计等。软件方面主要包含非接触式IC卡的操作程序设计与单片机外围芯片的驱动程序设计等。
根据系统要求，当没有卡进入读写器工作范围之内时，LCD上显示动态时间，当有有效卡片进入读写器工作区域时，应当读取卡内指定扇区数据并在LCD屏幕上显示卡的序列号信息以及打卡状态。经过综合调试，实际运行结果表明本课题设计的系统基本满足上述要求。
关键字非接触式IC卡；门禁控制系统；ZLG500A T读写模块；射频识别
Abstract
With the development of modern technology, entrance guard control system is acting a more and more important role in the field of security technology to prevent, it is based on advanced computer technology, communications technology and non-contact radio frequency identification technology, a kind of intelligent control system that limits people's access to make the implementation of the release, rejection and records operation through the non-contact-type IC card. Non-contact-type IC card's core technology is radio frequency identification and its environment adaptable to non-contact to complete the automated identification.
This paper first introduces the research status of the access control system at home and abroad and development, later introduces the underlying theory of knowledge related to the system.Finally focus on the hardware and software design of the system.The hardware including the design of the STC89C54's interface, ZLG500AT reading and writing module design, the design of serial communication module, the design of real-time clock module, LCD modular design and data storage module design and so on. Software major procedures the design of non-contact-type IC card and the driver design of microcontroller peripheral chips.
According to the system requirement, LCD shows the dynamic time when there is no card into the reader within the scope of work, or should read the card within a specified sector of data and the card's serial number information and punch state displayed in the LCD. After integrated debugging, the actual operation results show that the design of the subject system basically meets the above requirements.
Keywords Non-contact-type IC card; Entrance guard control system; ZLG500AT reading and writing module; Radio frequency identification
目录
摘要 (i)
Abstract (i)
第1 章绪论 (1)
1.1 课题背景概述 (1)
1.2 本文研究的目的与意义 (1)
1.3 国内外研究现状 (2)
1.3.1 国内研究现状 (2)
1.3.2 国外研究现状 (2)
1.4 本文研究课题的发展前景 (3)
1.5 本文主要研究内容 (3)
第 2 章系统的理论基础 (4)
2.1 系统相关的电磁理论知识 (4)
2.1.1 天线场的概念 (4)
2.1.2 能量耦合 (4)
2.2 数据的传输与安全性 (5)
2.2.1 数据的传输原理 (5)
2.2.2 数据的安全性 (6)
2.2.3 MIFARE1 IC S50卡概述 (7)
2.2.4 MF1卡的存储结构 (8)
2.2.5 MF1卡的功能结构及工作原理 (9)
2.3 非接触式IC卡的国际标准 (10)
2.4 门禁控制系统的基本构成及工作流程 (10)
2.4.1 门禁控制系统的基本构成 (10)
2.4.2 门禁系统的工作流程 (11)
2.5 本章小结 (12)
第 3 章系统的硬件电路设计 (14)
3.1 系统总体分析 (14)
3.1.1 系统设计要求 (14)
3.1.2 系统总体方案 (14)
3.2 微处理器接口设计 (15)
3.3 电源模块设计 (17)
3.4 ZLG500AT读写模块设计 (17)
3.4.1 ZLG500AT模块的硬件概述 (17)
3.4.2 ZLG500AT的串行接口规范 (19)
3.5 键盘接口设计 (21)
3.6 实时时钟的硬件设计 (22)
3.6.1 实时时钟的硬件接口 (22)
3.6.2 实时时钟的读写控制 (23)
3.7 串行通信模块设计 (24)
3.8 数据存储模块设计 (25)
3.8.1 AT24C02存储芯片接口概述 (25)
3.8.2 AT24C02存储芯片串行通信 (26)
3.9 液晶显示模块设计 (27)
3.9.1 液晶模块的外部接口 (27)
3.9.2 液晶模块的串口传输方式 (29)
3.10 语音模块设计 (29)
3.11 本章小结 (30)
第 4 章系统的软件设计 (32)
4.1 系统软件总体流程 (32)
4.2 IC卡读写模块软件设计 (33)
4.2.1 读写模块的数据传输协议 (33)
4.2.2 读写模块函数描述 (34)
4.3 系统信息的存储与显示 (37)
4.3.1 存储模块程序设计 (37)
4.3.2 液晶显示模块程序设计 (39)
4.4 实时时钟的数据处理 (41)
4.5 其他模块程序设计 (42)
4.5.1 SPI数据传输与格式转换 (42)
4.5.2 按键扫描及语音提示 (42)
4.6 本章小结 (43)
结论 (44)
致谢 (45)
参考文献 (46)
附录A (47)
附录B (54)
附录C (55)
附录D (64)
第 1 章绪论
1.1 课题背景概述
当今时代，随着科学技术的发展，自动识别技术在生产、生活中扮演着愈来愈重要的角色，它就是应用一定的识别装置，通过被识别物品和识别装置之间的接近活动，自动地获取被识别物品的相关信息，而且向后台的计算机处理系统赋予有关的事后处理的技术。这种技术近些年来发展得很迅猛，形成了具有接触式IC卡技术、光学字符识别、射频技术(非接触式)、磁条磁卡技术等集光磁、计算机、物理及通信技术为一体的高新技术。本课题研究的是一种基于非接触式IC卡射频技术的门禁控制系统[1]。
射频识别即RFID(Radio Frequency Identification)技术，又称电子标签、无线射频识别是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，作为条形码的无线版本，RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更加自如等优点，其应用将给零售、物流等产业带来革命性变化[2]。随着识别技术的诞生以及成熟化，极大地推进了安全事业的发展，为重要部门出入口实现安全防范管理提供了更多的解决方案，加上传统的机械门锁仅仅是单纯的机械装置，无论结构设计多么合理，材料多么坚固，人们总能通过各种手段把它打开，此种情景下，门禁控制系统应运而生。门禁控制系统是新型现代化安全管理系统，它集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体，它涉及电子，机械，光学，计算机技术，通讯技术，生物技术等诸多新技术，适用于各种机要部门，门禁控制系统最大限度地减少了给人们带来的利益损失，促进了社会环境的和平稳定。
1.2 本文研究的目的与意义
门禁控制系统能够有效地控制人员的出入，并且记录所有出入的详细信息，以实现出入口的方便、安全管理，控制系统可以联网和脱机工作，门禁控制系统的推出将缓解大人流快速通过的问题，同时可以结合视频图像联动接入，保安可对出入人员进行实时监控和查询，管理人员能方便地统计、打印或导出门禁上位机数据信息，本课题采用了非接触形式的无线标签来作为数据传输的媒介，非接触出入控制的读取设备被尘土、污垢或是潮湿损坏的机率非常小，此外，天线可以完全隐蔽地安装在墙内，不会被恶意破坏，大大提高
了安防性。
本课题研究的基于非接触式IC卡的门禁控制系统正是为了达到上述的目标而进行设计的，对于将来的安防事业付出了自己的一份力量，有利于营造更加美好和谐的社会环境。随着科技的发展，人们对门禁系统的应用已不局限在单一的出入口控制，而且还要求它不仅可应用于智能大厦或智能社区的门禁控制、考勤管理、安防报警、停车场控制、电梯控制、楼宇自控等，还可与其它系统联动控制等多种控制功能，而基于非接触式IC卡的门禁控制系统针对于集成应用提出了可行性方案，具有重要的意义。
1.3 国内外研究现状
1.3.1 国内研究现状
国内对门禁系统的研究刚开始只是处于认识教育和试用阶段，而现在逐渐步入了研发阶段，门禁系统主要有下几点不足之处：运用国外现成的集成模块；仿造国外研制好的系统；产品的类型比较少、系统开发成本较国外很高。国内的门禁系统大多以控制器为核心构建的，门控器大多由国外企业研制。门禁系统利用的零件多数采用国外原材料和先进集成电子工艺，所以它的性能比较高。上述的门禁控制系统几乎都可以同时控制多个门，能够实现多门监控机制；很多企业把它做成企业的一卡通系统，实现数量大的人员管理。门禁系统是由多个独立部件有机集成而构成的，若要想升级系统，仅仅需要对系统的某一部分进行升级，然后再组装即可。总体来讲，国内对门禁系统的研究仍然处于感知层次，在理论方面的研究还是比较欠缺的[3]。
1.3.2 国外研究现状
国外门禁系统经过数十年的技术与销售沉淀，系统的稳定性很好，返修率估计在千分之二到五之间，人性化的功能比较少，系统集成的功能比较强大，提供成套的和弱电集成的方案，软件操作会比较复杂。随着科技的发展，最近几年，国外门禁系统市场愈来愈成熟，它的产业分工进入了细分阶段，生产卡片和读卡器的厂家就单单生产卡片和读卡器，如德国的Destele公司。生产控制器的公司单单生产软件和控制器。从目前全球门禁系统的前端输入设备的水平及发展方向来看，除宾馆锁外，磁卡和接触式IC卡读卡器已在逐步地退出门禁系统市场。
国外门禁系统的知名品牌有休斯(HID)、洛泰克(NTK)、西屋(WSE)以及英国的集宝等。国外研制与应用的门禁控制系统主要包括两类：感应和生物识别门禁系统，生物识别又以指纹识别运用得最为广泛[4]。伴随计算机图像处理、模式识别理论与大规模集成电路技术
的不断发展，指纹自动识别系统的体积不断缩小，其价格也不断降低。据国际生物认证团(IBG)调查得知：美国生物认证市场在2002年的时候已经突破了7亿美元，而指纹识别就占据了近50%。
1.4 本文研究课题的发展前景
射频识别技术的发展将会在电子标签、读写器、系统种类、标准化等方面取得新的进展。电子标签芯片需要更低的功耗；无源标签、半无源标签技术更加成熟；更远的作用距离；更加完善的无线可读写性能；高速的移动物品识别；高频远距离系统性能更加完善；对标准化基础性研究更加深入、成熟；标准化被更多的企业接受；更好的系统模块可替换性。
门禁控制系统未来的主要发展趋势包括外观工艺、易安装、强大的联网、远程管理、扩展及升级性、硬件稳定性以及方便的系统整合；门禁软件的功能需求也需逐渐增强，包括系统联动功能、网络化、资料集成与共享、开放协议、数据库自动备份、访客图像或证件验证以及在线布防与在线撤防；门禁控制系统的技术将同时向IT方向发展，由于TCP/IP 通信协议的优势：实时响应和管理与方便的扩展性，使得TCP/IP协议将成为门禁控制系统与IT兼容的协议的主流。
1.5 本文主要研究内容
本文主要是在非接触式IC卡的基础上，研究如何利用单片机以及相关的外围设备来完成对非接触式IC卡的读写控制，读写模块采用的是周立功公司生产的ZLG500AT(天线一体式)模块，意即通过单片机(STC89C54)控制ZLG500AT模块，综合ZLG500AT库函数和单片机用户程序来协调IC卡的读写工作。相关的输出信息可以在液晶显示屏幕上直观地呈现给用户，并且通过按键可以设置、查询必要的信息，当进行操作时，语音系统会返回相应的语音信息，使整个系统更加人性化。
在本文的后半部分，主要在软件和硬件两个方面对系统进行调试，从而发现问题、分析问题，最后解决问题达到优化系统的目的。
第 2 章 系统的理论基础
2.1 系统相关的电磁理论知识
2.1.1 天线场的概念
电子标签和读写器通过各自的天线构建了二者之间的非接触信息传输信道。传输信道的性能取决于天线四周的场区特性。射频信号与距离的高次幂成反比，离开天线越远，信号减小得越迅速。根据观测点与天线的距离可以把天线四周的场区分成无功近场区、辐射近场区与辐射远场区三个区域[5]。
无功近场区是一个近场区域，它是处于天线辐射场中，并且紧邻天线口径。在此区域中起着支配地位的是具有电抗性的储能场。无功近场区也可以理解为一个储能场，该储能场中电场与磁场的转换与变压器中的电场和磁场之间的转换相似。越过无功近场区的界限就进入了辐射近场区，辐射近场区的电磁能已经脱离了天线的束缚，而是作为电磁波进入空间[6]。
在辐射远场区域中，场区的角度分布与距离没有关系。对于某个距离值，辐射场角度分布与距离为无穷大时的角度分布误差在允许范围内时，我们把这一点到无穷远处的区域叫做辐射远场区。辐射远场区与辐射近场区的分界距离R 为:
λ2
2R D = (2-1)
其中， D 为天线的直径，λ为天线的波长，D λ≥。
一般情况下采用1/<<λL 或1/<λL (L 为天线的尺寸)的天线结构模式，这是因为电子标签与读写器天线的尺寸的限制。辐射远场区和无功近场区的距离估算依据就是波长。
2.1.2 能量耦合
射频识别系统中射频标签与读写器之间的作用距离就是射频标签与读写器之间能够可靠交换数据的距离。根据距离的不同，标签与读写器两者天线之间的耦合系统可以为是三类：密耦合、遥耦合以及远距离系统[7]。
1．密耦合系统
密耦合系统，又称为紧密耦合系统，是具有很小作用距离的射频识别系统，它的常见作用距离为0~1cm 。一般情况下需要将射频标签插进读写器卡槽当中，若是非接触的方式，也可以把标签放置到读写器的天线表面。在射频标签与读写器天线的无功近场区之间，通
过电感耦合(闭合磁路)构成了无接触空间信息传输射频通道，密耦合系统正是利用这个通道展开工作的。密耦合系统常见的工作频率多数都是低于30MHZ。
2．遥耦合系统
此类系统常见的作用距离为1m，所有遥耦合系统在读写器与标签之间都是电感(磁)耦合，因此也将这些系统称作电感无线电装置。目前在用的射频识别系统的90%~95%都属于电感(磁)耦合系统。遥耦合系统典型工作的频率为13.56MHZ，也有一些其他的频率(如6.75MHZ、27.125MHZ等)。耦合系统目前是低成本射频识别系统的主流。遥耦合系统又可细分为近耦合系统(典型的作用距离为15cm)与疏耦合系统(典型的作用距离为1m)两类，如图2-1所示。
图2-1 遥耦合系统的分类
3．远距离系统
在读写器与电子标签两者天线之间，通过电磁耦合形成了无接触空间信息传输射频通道，远距离系统正是利用这个通道来运行的。远距离系统的常见作用距离为1~10m，个别系统具有更远的作用距离。远距离系统的常见工作频率为915MHZ、2.45GHZ和5.8GHZ 等等。
2.2 数据的传输与安全性
2.2.1 数据的传输原理
在射频识别系统当中，读写器和电子标签之间的通信主要依靠电磁波来实现，根据通信距离可以将其区分为远场和近场两种类型。在读写器和电子标签之间进行数据交换，可以通过负载调制和反向散射调制两种方式来进行[8]。
1．负载调制
近距离的低频RFID系统的实现主要依靠准静态场中形成的祸合。此种形式下，电子标签与读写器天线之间能量的交换方式与常见的变压器原理相似，我们把它叫做负载调制，这种调制就是利用负载的某些差异或负载的变动而使信号源的某种或某些参数发生相应改变的过程或效应。射频卡的天线(或线圈)是读写器发射天线(或线圈)的负载，射频卡通过改变天线回路的参数(比如谐振和失谐)，使读写器端被调制，进而实现了以微弱的能量
从射频卡到读写器的数据传输。
2．反向散射调制
在915MHz和2.45GHz的RFID系统中，读写模块与电子标签之间的距离有几米，然而载波波长只有几十厘米。我们将读写模块与电子标签之间的能量传递方式称为反向散射调制。
反向散射调制的含义为：无源RFID系统中电子标签把信号传送到读写器所运用的一种通信方式，其原理如上图2-2所示。依据要发送数据的种类，控制电子标签的天线阻抗使反射的载波幅度变化很小，于是反射载波幅度就携带了所需传送的信号。
图2-2 电子标签阻抗控制方式
待发送的数据信号具有两种电平，利用中频信号与简单的混频器完成调制，将阻抗开关连接到调制结果，它用来更改天线的反射系数，然后再调制载波信号。整个数据通信链路中仅包含一个发射机，但是实现了双向的数据通信。电子标签根据要发送的数据通过控制天线开关，来改变匹配程度。这样一来，从标签返回的数据就被调制到了返回的电磁波幅度上。
2.2.2 数据的安全性
在射频识别通信网络中，所有通信内容都是通过无线信道传送的。射频识别通信网络也是一种无线通信网络。无线通信网络的优势来源于他们所采用的无线通信信道，而此信道是一个开放性信道，它在赋予无线用户通信自由的同时，也给无线通信网络带来一些不安全因素，如通信内容容易被窃听、内容可以被更改以及通信双方身份可能被假冒等。为保证MIFARE1卡数据通信中的安全性和可靠性，MIFARE1卡和读卡器之间的通信使用三次认证令牌机制，其步骤如下：
A环：M1卡向读写器发送数据RB(随机)；
B环：读写器收到RB后向M1 卡发送数据TOKEN AB(令牌)，包含读卡器发出数据
RA(随机)；
C环：M1卡收到TOKEN AB后，对TOKEN AB的加密部分进行解密，检查B环中接收到的TOKEN AB 中的RB与A环中M1卡发送的RB是否一样；
D环：在C环校验正确的前提，M1卡向读写器发送令牌TOKEN BA；
E环：读写器收到令牌TOKEN BA 后，读写器对令牌TOKEN BA 中的RB解密；检验由D环中接收到的TOKEN BA中的RA与第一次B环中读写器发出去的RA是否一致。
如果上述的每一个步骤都能正确通过验证，则认为整个认证过程成功。此时读写器将可以对刚刚认证通过的卡片上的这个扇区进行下一步的操作。如果有其中一步未通过验证，则整个认证过程失败，必须从新开始。整个认证过程如图2-3所示。
图2-3 三次认证的令牌原理框图
2.2.3 M IFARE1 IC S50卡概述
在本课题研究的门禁系统中使用的是Mifare1 S50 IC卡，MF1卡是符合ISO/IEC 14443A的非接触式智能卡。其通讯层(MIFARE RF 接口)符合ISO/IEC 14443A标准的第2和第3部分[9]。
MF1卡的主要特性：
1．MIFARE RF 接口(ISO/IEC 14443 A)
非接触数据传输并提供能源(不需电池)；
工作距离：可达100mm (取决于天线尺寸结构)；
工作频率：13.56 MHz；
快速数据传输：106 kbit/s；
高度数据完整性保护：16 Bit CRC，奇偶校验，位编码，位计数；
真正的防冲突。
2．EEPROM
1 Kbyte，分为16个区，每区4个块，每块16字节；
用户可定义内存块的读写条件；
数据耐久性10年；
写入耐久性100000次。
3．安全性
相互三轮认证(ISO/IEC DIS9798-2)；
带重现攻击保护的射频通道数据加密；
每区两个密钥，支持密钥分级的多应用场合；
每张卡一个唯一序列号。
2.2.4 M F1卡的存储结构
Mifare1卡片的存储容量为1K×8位字长，采用2E PROM作为存储介质，分为16个扇区(Sector),编号为0~15。一个扇区对应4个块(Block),即块0、块1、块2与块3，一个块存储16字节的内容。卡片的存储单元总共有64个块，分别编号为0~63。
在Mifare1的64个块中，Sector0的Block0用于存储该张智能卡的序列号(Serial#Number)和生产厂商的标志信息，这部分内容是在智能卡出厂时就被固化好了的，因此该块是只读的。每个数据块和尾块的读写条件均由3个bit定义，并以非取反和取反形式保存在各个区的尾块中。读写控制位管理着使用密钥A或密钥B读写存储器的权限。如果知道相关的密钥，并且当前读写条件允许，读写条件是可以更改的。
在本设计中采用了卡中的15扇区的Block60、Block61与Block62三个数据块，在软件设计的时候只需要进行一次密码验证，采用KEYA密码验证方式，当IC卡顺利通过验证后就可以读取这三个块的单元内容，MF1卡的存储结构如表2-1所示[10]。
表2-1 Mifare1卡片的存储结构
2.2.5 M F1卡的功能结构及工作原理
Mifare1卡电路系统主要包括数字逻辑电路与射频接口电路。射频接口电路包括电源产生、调制与解调电路，原理见图2-4所示。电源产生电路包括整流稳压电路与保护电路;解调电路的两个功能模块分别是检波电路和比较电路 。数字逻辑电路主要包括ATR (Answer to request)模块、Anti-collision 模块、Select Application 模块及Authentication&Access Control 模块。
读写器向 M1 卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个 LC 串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，在电磁波的激励下，LC 谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电荷泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当所积累的电荷达到 2V 时，此电容可作为电源为其它电路提供工作电压，进而将卡内数据发射出去或接收读写器的数据。
图2-4
Mifare1卡工作电路原理图
2.3 非接触式IC卡的国际标准
ISO/IEC技术标准规定了IC卡的技术特性、技术参数和技术规范等，是国际标准化组织(ISO)/国际电工委员会(IEC)针对于IC卡制定的专业技术标准[11]，主要组成见图2-5所示。
图2-5 ISO/IEC技术标准
本课题涉及到的是ISO/IEC 14443A标准，所以下面着重介绍一下这个标准。国际标准ISO 14443以识别卡——近耦合集成电路卡说明了非接触的近耦合IC卡的作用原理和工作参数。该非接触IC卡的作用距离大约为5~10cm，应用比较广泛。
这项标准主要包括四个部分：物理特性；射频接口；初始化和反碰撞；传输协议。由于在这项标准的发展中没有得出一个统一的标准，所以把读写器和近耦合IC卡之间的数据传输的两种完全不同的方法写入了ISO 14443标准之中：A型或B型。一张IC卡只需两种通信方法之一来支持。然而，一个符合标准的读写器必须能够以任一方法进行通信，以便支持所有的IC卡。这就要求读写器在“闲置”状态时能在两种通信方法之间周期地转换。然而，在读写器和IC卡之间存在着通信关系的过程中，不允许在两种方法之间进行转换。
2.4 门禁控制系统的基本构成及工作流程
2.4.1 门禁控制系统的基本构成
门禁控制系统一般由三个层次的设备构成。底层是直接与人打交道的设备，包括身份识别装置(卡片及读卡机、生物识别设备、密码键盘等)、电子门锁、出口按钮、报警传感器和报警喇叭等。控制器用来接收底层设备发送来的有关人员的信息，同自己存储的信息相比较，判断后发出处理信号。当系统较大时，将多个由控制器、底层设备构筑的小系统通过通信总线与中央控制计算机相联，组成一个大的门禁系统。
门禁控制系统还会在门框上部安装门磁开关来检测门的开关状态，在门内还可安装出门控制按钮等。在门禁控制系统中通常安装有报警装置，当检测到有未经允许的出入、门被强行打开或保持开门状态时间过长等情况时将产生报警信号。如图2-6所示给出了门禁控制系统的基本构成。
图2-6 门禁控制系统的基本构成
2.4.2 门禁系统的工作流程
门禁系统的工作流程为：高级管理员首先在管理软件中设置通道、人员等基本信息；管理员给每一位员工发卡，并授权每个人在哪些门道、哪些时段可以进出；进门时，持卡人用非接触式IC卡在门禁机读卡区前晃动一下，门禁机确认身份后，打开电锁开门，人员进入后门关闭；出门时，持卡人刷卡或按出门按钮，门打开，人员出去后门关闭。1．入口处工作流程
持卡人在门外读写器处刷卡，读写器判别射频卡片是否合法。若为合法卡，则读写器发出长鸣声，门自动开锁或按钮有效，当开启时间达到某个设定值时，门自动上锁，从而完成一次入口操作；若为非法卡，则读写器发出急促短鸣声，门不开或按钮无效，报警设备开始发出报警信号。
2．出口处工作流程
当持卡人需要离开时，如果安装的是单向门禁系统，则持卡人可以直接按下安装于门内的开门按钮，此时门锁打开，人员离开，门自动上锁。如果安装的是双向门禁系统，持卡人可在门内读写器处刷卡，读写器判别射频卡是否合法。若为合法卡，则读写器发出长鸣声则读写器发出长鸣声，门自动开锁或按钮有效，当开启时间达到某个设定值时，门将
自动上锁，从而完成一次出口操作；若为非法卡，则读写器发出急促短鸣声，门不开或按钮无效，报警设备开始发出报警信号，如图2-7所示。
图2-7 出口处工作流程
2.5 本章小结
本章首先介绍了射频识别系统相关的电磁理论知识，其中包括天线场的区域划分(无功近场区、辐射近场区、辐射远场区)和能量耦合的分类(密耦合、遥耦合、远距离)，并简要介绍了各自的概念，了解电磁传播规律有助于更好地理解和应用射频识别系统。
射频识别系统中读写器和电子标签之间的数据交换方式被划分为负载调制反向散射调制。为保证MIFARE1卡数据通信中的安全性和可靠性，MIFARE1卡和读卡器之间的通信使用三次认证令牌机制。
Mifare1卡的存储区可以分为16个扇区(64个块)，每个扇区都有相应的密码和存取控制位，在进行操作前要进行密码验证。国际标准ISO 14443以识别卡——近耦合集成电路卡说明了非接触的近耦合IC卡的作用原理和工作参数。该非接触IC卡的作用距离大约为5~10cm，应用比较广泛。
门禁控制系统一般由PC管理机、身份识别器、报警装置、电子门锁、出入口按钮以
及门禁控制器等部分构成。本章最后从入口处工作流程与出口处工作流程两方面阐述了门禁系统的运作过程。
第 3 章系统的硬件电路设计
3.1 系统总体分析
3.1.1 系统设计要求
门禁控制系统不仅包括卡和读写模块的选择，还涉及到读写模块的控制、数据的传输、数据的处理与存储；不仅需要有硬件应用的知识、也必须具有软件方面的能力。门禁系统既要处于技术的尖端，具有智能性、高可靠性、实时性，又要符合实际需要。
读头部分采用非接触式IC卡读写模块，由读卡器读入数据并加以保存，非接触式IC 卡按常规要具有加密和数据分区存储功能，读写器的读写距离在5~10厘米左右，系统必须具有掉电保护、精确时间记时和显示，要求系统具有一定的临时数据存储能力。主控模块是门禁系统的核心部分，主要包括单片机、键盘、电子时钟以及外部数据存储器等。
在系统设计当中，要求能够利用语音录放系统完成操作的语音提示，IC卡若为非法卡，提示持卡人录音，确保持非法卡的人员有紧急情况而与主人进行联系，以防主人漏掉重要信息，造成不必要的损失，但是，要确保此时门锁为禁闭状态，只是向持卡人开放录音系统而已。要求通过按键可以更改系统时间，查询记录访问信息。
3.1.2 系统总体方案
基于非接触式IC卡的门禁控制系统以STC89C54单片机为控制核心,单片机通过连接射频读写模块实现对射频标签数据的读写。由单片机发送读卡、写卡等命令，读写器通过射频读写模块与卡片通信，实现与卡片的交易。按键和报警显示模块在读写器脱机工作时作为持卡者与读写器的互操作平台。读取信息可存储在扩展存储器中。当需要与上位机通信时，可通过串口电路连接到上位机进行通信。按键配合LCD(液晶显示屏)共同完成人机交互功能。电源模块采用电池和USB两种供电方式。门锁与电机模块，即门禁机械动作部分由相应的指示模块进行模拟。
本设计采用非接触式IC卡，主机无卡口，IC卡不需要和主机接触，通过无线射频方式传输数据。读写器与卡之间的接口采用的是Mifare技术的射频接口，它与ISO/IEC 14443A标准兼容。
本课题设计的系统主要包括主控制器、时钟模块、显示模块、射频读写模块、电源电路、复位模块、串行通讯模块、按键模块、语音模块与数据存储模块等等。单片机控制ZLG500AT读写模块，驱动ZLG500AT中自带的PCB天线对Mifare卡进行读写操作;然后
根据所得的数据对其他接口设备如液晶显示屏和PC机之间进行无线收、发或RS232接口通信，把数据传给上位机(本系统仅对下位机进行研究)。液晶屏采用带中文字库的HJ12864ZW，并且采用串口操作方式，这样占用单片机的I/O口较少，节省资源。具体的硬件设计在以后的章节里会作较详细的介绍，系统总体方案框图如图3-1所示。
图3-1系统总体方案框图
3.2 微处理器接口设计
微处理器控制(MCU)部分是非接触式IC 卡读写器的控制核心，主要负责对射频基站部分的初始化工作，对串行通讯部分进行初始化，控制通讯部分完成与上位机进行串行数据通讯，对单片机外围芯片进行初始化，通过控制射频读写模块完成对非接触式IC 卡的各种操作。
根据系统的要求，考虑到系统工作频率与系统的整体设计，就本系统而言，还要考虑到系统的通信速度和通信方法以及存储空间大小等方面，再结合市场上的单片机的性能、价格、应用领域，本课题选择了宏晶科技生产的STC89C54RD+(PDIP)芯片。STC89C54是一种低功耗、高性能微控制器，具有16KFlash 存储器，STC89C54为现今许多单片机控制系统提供了较灵活有效的解决途径。选择STC单片机降低了成本，提升了系统的性能，原有程序可以直接使用，硬件无需改动[12]。
在本次设计中，单片机STC89C54的接口电路如图3-2所示，由于单片机P0口内部没有上拉电阻，为高阻状态，所以不能正常地输出高/低电平，因此该组I/O口在使用时需要